CN102026285A - 促使中继节点反馈真实信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在分布式无线通信网络中促使中继节点反馈真实信息的方法，包括源节点、中继节点和目的节点，所述源节点把能够正确解码并向其反馈信息的中继节点作为候选节点，并从所述候选节点中选出一定数目的中继节点作为转发节点进行信息转发，所述转发节点从所述目的节点处获得收益后，所述源节点会根据所述候选节点先前反馈的信息对候选节点间的收益进行调整；本发明通过设计了无线网络下的收益分配机制，在不需要其他节点的监督或存储以往的数据的情况下，即可促使中继节点反馈自己真实的信息，这样可以大大提高网络的传输速率。

Description

促使中继节点反馈真实信息的方法

技术领域

本发明涉及到分布式无线通信技术领域，特别是对于在拥有自主式中继节点的无线网络中促使这些中继节点反馈自己的真实信息的方法。

背景技术

未来的通信网络是分布式的扁平化结构，就需要中继节点来中继信号，而且这些中继节点具有自主能力，可以智能的选择对自己有利的信号进行转发，放弃那些对自己没有利用的信号。在未来的网络架构下，这种自主的处理能力促使了中继节点有可能反馈虚假信息来迷惑源节点做出错误的选择，从而使中继节点得到意外的收益。而采用信誉机制可以处理上述问题，用信誉值来衡量一个中继节点的是否反馈了自己的真实信息。但是这样方案须要其他节点来监督，而且需要反馈和存储大量的信息，这样就降低了网络通信传输率和网络负载量。而且该方案是被动的反应中继节点的信誉问题，无法主动促使中继节点反馈自己真实信息。

本发明在不需要反馈和存储大量的其他中继节点的监督信息的情况下可以主动促使中继节点反馈自己真实信息。在分布式的无线通信网络中，自主的中继节点具有自私性和以最大化自己的收益为目标的特性。信誉机制的方法是依靠反馈和存储大量的其他中继节点的监督信息来权衡中继节点反馈信息的真实性，这样仅是依靠的以往的信息来衡量当前的反馈信息，但是当前的反馈信息的真实性并没有真正的反应出来，所以并不能促使中继节点来反馈自己真实信息。而本发明就是根据中继节点的这些特性来设置了整个网络的收益分配机制，利用收益分配机制的设置促使中继节点自主的反馈自己真实信息。在分布式的无线通信网络中，当源节点为选出最佳的中继转发节点而要求中继节点反馈信息时，自主式的中继节点就要考虑到反馈怎样的信息才会使其得到最大的收益值。而本发明所设置的收益分配机制在不需要反馈和存储大量的其他中继节点的监督信息的情况下正好促使了中继节点主动反馈自己的真实信息。

发明内容

本发明的目的在于解决克服上述提到的问题，设置了分布式无线通信网络下的收益分配机制来促使自主式中继节点主动地反馈自己真实信息。

为实现促使中继节点自主反馈自己真实信息，本发明通过对分布式无线通信网络下的各节点收益分配的方法进行设置，而使得中继节点为获得最终收益最大化必须反馈其真实的信息。这也就实现了促使中继节点主动反馈自己真实信息，而且不需要其他中继节点的监督或去存储大量的历史数据。

本发明的技术方案如下：

一种促使中继节点主动反馈自己的真实信息的方法，包括源节点、中继节点和目的节点，所述源节点把能够正确解码并向其反馈信息的中继节点作为候选节点，并从所述候选节点中选出一定数目的中继节点作为转发节点，所述转发节点从所述目的节点处获得收益后，所述源节点会根据所述候选节点先前反馈的信息对候选节点间的收益进行调整。

所述的方法，具体包括如下步骤：

(1)所述源节点发送数据信息；

(2)所述中继节点根据接收到的数据信息，并且对数据信息进行解码，看是否可以正确解码；

(3)所有正确解码的中继节点向所述源节点反馈自己的信息，反馈怎样的信息主要为使其得到最大的期望收益；

(4)所述源节点根据最优的原则和所述候选节点的反馈信息来选出最优中继节点作为转发节点；

(5)所述转发节点向所述目的节点转发数据信息，根据接收到的转发来的数据信息，目的节点支付给相应转发节点报酬；

(6)所述源节点根据所述候选节点先前反馈的信息对所述候选节点收到的报酬进行调整，具体做法为：根据候选节点先前反馈的信息来计算出每个候选节点的补偿量，也就是该候选节点是应该得到补偿还是应该捐出自己的收益分给其他候选节点；

(7)在所述源节点调整收益后，所述候选节点得到最终的收益。

所述的方法，所述步骤(1)中，源节点发送自己的数据信息，是通过广播的形式向周围的中继节点发射信号。

所述的方法，所述步骤(2)中，中继节点采用了解码转发协议；中继节点在接收到源节点广播的数据信息后，对其进行解码并判断所接收到的数据信息是否正确；如果接收到正确的数据信息则向源节点反馈信息。

所述的方法，所述步骤(4)中，为选出K个最优中继节点，源节点把反馈信息的N个中继节点作为候选节点，对候选节点的反馈信息进行降序排列，从中选出前K个对应的中继节点作为转发节点。

所述的方法，所述步骤(6)中，源节点根据候选节点先前反馈的信息对候选节点的收益进行调整的方法为：源节点根据候选节点反馈的信道信息来调整收益，计算出每个候选节点的应该得到的补偿量：

$t_i=t_i({\hat{h}}_{1,d},\·\·\·{,\hat{h}}_{N,d})={\mathrm{\Φ}}_i\left({\hat{h}}_{i,d}\right)-\frac{1}{N-1}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_j\left({\hat{h}}_{j,d}\right),$

其中，

表示第i个候选节点利用其他候选节点信道的统计信息和自己反馈的信息计算出来的其他候选节点期望收益的总和，h_-i表示为{h_1，d…d_i-1，d，h_i+1，d…h_N}。而且这个补偿量可能为正值也可能为负值；正值表示该候选节点从其他候选节点处得到了补偿；负值则表示该候选节点对其他候选节点提供相应的补偿。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明由于不需要其他中继节点的监督和对历史信息数据的存储，所以在信息反馈上节省了大量的信息传输损耗和存储空间。本发明比利用信誉机制来促使中继节点的反馈真实性的方法下大大提高网络传输效率和网络的负载。

第二，本发明可以促使中继节点主动地反馈自己真实信息。在分布式无线通信网络中，本发明对网络中收益分配机制进行了设置，中继节点只有反馈真实信息时才能最大化其收益。而信誉机制只是被动的利用过去信息或监督信息估计和判断中继节点是否反馈的真实信息。

第三，本发明提出中继节点的补偿量的概念。这个中继节点补偿量不仅促使了网络中的每个中继节点反馈自己真实的信息，而且缩小了中继节点间的收益差距，使得收益分配趋于公平化。而信誉机制只是能解决中继节点反馈信息真实性的问题，却无法缩小中继节点间的收益差距。

本发明使用于分布式的无线通信网络中，在不需要其他中继节点来监督或利用以往的反馈信息的情况下，可以促使中继节点自主地反馈自己真实信息并且缩小了中继节点间的收益差距，这样可以大大提高整个网络的传输率和网络负载和提升了中继节点间的收益分配的公平性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的系统模型图；

图3为本发明对中继节点反馈真实信息效果验证图；

图4为本发明对缩小中继节点间的收益分配差距的验证图；

图5为本发明对选择不同中继数目不影响中继节点反馈真实信息的验证图；

具体实施方式

实施例1

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，源节点发送自己的数据信息。

在分布式无线通信网络中，源节点在向一个超出自己传输范围的目的节点发送自己的数据信息x时，必须依靠中继节点来转发自己的数据信息x，源节点通过广播的形式向周围的中继节点发射信号。

图2描述了源节点需求助于中继节点来向目的节点转发数据信息的简化模型。其中，在这个模型中共有I个采用了解码转发协议的中继节点。

步骤2，中继节点解码接收到数据信息。

中继节点采用的是解码转发协议，可以解码出接收到数据信息

其中，P_s为源节点的发射功率，h_i，s和n_i，s分别表示源节点到第i个中继节点链路上的信道增益和高斯噪声，判断是否可以正确的解码出源节点的数据信息x，并向源节点反馈这一信息。

步骤3，中继节点考虑自己需要反馈怎样的信息。

在I个中继节点中有N个中继节点解码正确，这N个中继节点就要向源节点反馈其到目的节点链路上的信道增益h_i，d。而每个中继节点都希望在转发数据信息后获得最大的收益，则中继节点要考虑反馈怎样的信息。本发明就是设计了收益分配机制，中继节点只有反馈自己真实信息才能使其收益最大。

这N个中继节点的真实信息为

向源节点反馈的信息表示为

从中任选一个中继节点i来进行分析，该中继节点的收益来自两部分：第一部分为从目的节点处得到的支付值。由于该中继节点不知道其他中继节点的信道信息，只能求出在不完全信息下从目的节点处获得的期望值：

$E\left(U_i\right)={\∫}_0^{+\∞}\·\·\·{\∫}_0^{+\∞}{U}_i({\tilde{h}}_{i,d},X(h_{1,d},\·\·\·,h_{N,d}))f(h_{1,d}\·\·\·h_{N,d}){\mathrm{dh}}_{1,d}\·\·\·{\mathrm{dh}}_{N,d},$

其中，f(h_1，d…h_N，d)是N个中继节点到目的节点之间信道增益的联合概率密度函数，X(·)是一个根据信道增益选出K个最好中继节点的函数，K是源节点固定地选择中继节点的数目。则第二部分为中继节点经过源节点的收益调节得到的补偿量：

$E\left(t_i\right)=t_i({\hat{h}}_{1,d},\·\·\·,{\hat{h}}_{N,d}).$

因此，当第i个中继节点反馈的信道信息为而对其他中继节点的反馈信息不确定时，该中继节点的总的收益期望为：

$E_{h_{-i}}\left(Z_i\right|h_{i,d}={\hat{h}}_{r_i,d})$

$=E_{h_{-i}}[U_i({\tilde{h}}_{i,d},X(h_{1,d},\·\·\·,h_{N,d})|h_{i,d}={\hat{h}}_{r_i,d})+t_i({\hat{h}}_{1,d},\·\·\·,{\hat{h}}_{N,d})]$

$=E_{h_{-i}}[U_i({\tilde{h}}_{i,d},X(h_{1,d},\·\·\·,h_{N,d})|h_{i,d}={\hat{h}}_{i,d})+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i({\tilde{h}}_{j,d},X(h_{1,d},\·\·\·,h_{N,d})|h_{i,d}={\hat{h}}_{i,d})],$

$-\frac{1}{N-1}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_j\left({\hat{h}}_{j,d}\right)$

在上式中，第二部分

与第i个用户反馈的信道信息

是不相关的，也就是无论第i个中继节点反馈的信息是什么，都不会影响这一部分的值，所以只用考虑第i个中继节点的反馈信息对第一部分的影响，通过计算分析得出下边的不等式：

$E_{h_{-i}}[U_i({\tilde{h}}_{i,d},X(h_{1,d},\·\·\·,h_{N,d})|h_{i,d}={\hat{h}}_{i,d})+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i({\tilde{h}}_{j,d},X(h_{1,d},\·\·\·,h_{N,d})|h_{i,d}={\hat{h}}_{i,d})]$

$\≤E_{h_{-i}}[U_i({\tilde{h}}_{i,d},X(h_{1,d},\·\·\·,h_{N,d})|h_{i,d}={\tilde{h}}_{i,d})+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i({\tilde{h}}_{j,d},X(h_{1,d},\·\·\·,h_{N,d})|h_{i,d}={\tilde{h}}_{i,d})]$

由上边不等式可以观察到：中继节点只有反馈自己的真实信息时，才可以获得最大的期望收益。

步骤4，源节点根据最优的原则和所有正确解码的中继节点的反馈信息来选择中继节点作为转发节点转发数据信息

在中继通信中，源节点把N个正确解码的中继节点作为候选节点，从候选节点中选出K个传输性能最好的中继节点作为转发节点来转发数据即可。为选出K个最好的转发节点，源节点对候选节点的反馈信息

进行降序排列

从中选出前K个对应的中继节点作为转发节点，而这K个转发节点组成的集合表示为K。

步骤5，被选的转发节点从目的节点获得收益。

目的节点要求转发节点具有高的传输速率，并根据转发节点的传输速率支付报酬，所支付的价格为π。

因为所有转发节点到目的节点链路上的频谱正交，目的节点利用接收到的传输速率可以求出应支付给第

转发节点的报酬：

$U_i=\mathrm{\π}{R}_{i,d}=\mathrm{\πW}{\log }_2(1+\frac{P_i{h}_{i,d}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}).$

同样，目的节点可以得出应支付出总的报酬：

$U_{\mathrm{tot}}=\underset{i\∈\∈K}{\mathrm{\Σ}}{U}_i=\underset{i\∈\∈K}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\πW}{\log }_2(1+\frac{P_i{h}_{i,d}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}).$

步骤6，源节点根据候选节点先前反馈的信息调整候选节点的收益

在N个候选节点中，每个候选节点从目的节点处得到的收益可以表示为：

$U_i=U_i({\tilde{h}}_{i,d},X({\hat{h}}_{1,d},\·\·\·,{\hat{h}}_{N,d}))=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\π}{R}_{i,d}& i\∈K\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

源节点根据N个候选节点反馈的信道信息来调整收益，计算出每个候选节点的应该得到的补偿量：

$t_i=t_i({\hat{h}}_{1,d},\·\·\·{,\hat{h}}_{N,d})={\mathrm{\Φ}}_i\left({\hat{h}}_{i,d}\right)-\frac{1}{N-1}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_j\left({\hat{h}}_{j,d}\right),$

其中，表示第i个候选节点利用其他候选节点信道的统计信息和自己反馈的信息计算出来的其他候选节点期望收益的总和，h_-i表示为{h_1，d…h_i-1，d，h_i+1，d…h_N}。而且这个补偿量可能为正值也可能为负值。正值表示该候选节点从其他候选点处得到了补偿；负值则表示该候选节点对其他候选节点提供相应的补偿。

由于这个补偿量是所有候选节点收益的一部分，是在候选节点之间进行的，这就要求所有候选节点得到的补偿量的总和是0：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i({\hat{h}}_{1,d},\·\·\·,{\hat{h}}_{N,d})$

$=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\Φ}}_i\left({\hat{h}}_{i,d}\right)-\frac{1}{N-1}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_j\left({\hat{h}}_{j,d}\right))$

$=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_i\left({\hat{h}}_{i,d}\right)-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_j\left({\hat{h}}_{j,d}\right)$

$=0$

上边的等式就说明了候选节点间的补偿量符合收益平衡的要求。

步骤7，候选节点得到最终的收益。

由于这N个候选节点收益来自两部分：第一部分是从目的节点处获得的收益；第二部分是经过源节点对上述收益进行调节，从其他候选节点处获得收益补偿。所以在这N个候选节点中每个节点获得收益可以表示为：

$Z_i=U_i({\tilde{h}}_{i,d},X({\hat{h}}_{1,d},\·\·\·,{\hat{h}}_{N,d}))+t_i({\hat{h}}_{1,d},\·\·\·,{\hat{h}}_{N,d}).$

实施例2

本发明的实施效果可通过以下仿真做进一步说明：

仿真条件：

本发明的仿真中首先要构建一个无线中继通信模型。该分布式无线通信模型包括一个源节点，一个目的节点和一些中继节点，这些中继节点是随机的分布在源节点和目的节点范围之间的，仿真参数选取如表1所示：

表1

参数	值
		中继节点数目	10
所有信道	瑞利分布
		每个中继节点拥有带宽	1MHz
中继节点发射功率	10mw
		接收到正确比特的价格	100/比特
每个物理资源块上发送功率	50mw
		噪声功率	75mw

仿真内容：

(1)验证中继节点只有反馈真实信息才会取得最大的期望收益

由于中继节点的最终收益与其先前的反馈信息有很大的关系，中继节点必须考虑好该如何反馈自己的信息来使自己的收益最大。只有反馈真实信息的时候，才能使中继节点的收益最大化，也就是使得

取得最大值。

(2)验证本发明对缩小中继节点间的收益分配差距的效果。

在中继节点从目的节点处获得收益后，源节点会根据中继节点先前的反馈信息调整中继节点间的收益，通过所计算出每个中继节点的补偿量

来缩小中继节点间的收益差距。

(3)验证源节点选择中继节点的数目不影响该方案的效果

在源节点可能每次选择转发数据信息的中继节点数目不同，该方案也必须保证中继节点反馈自己真实信息，也就是说中继节点在反馈自己真实信息下才能使自己的期望收益最大化。

仿真结果：

图3展示了中继节点反馈信道信息对总的收益期望值的影响。只有当中继节点反馈它真实信道信息时，它的总收益期望值才会最大。但是，当中继节点反馈的信道信息

高于真实的信道信息

时，由于其从目的节点得到的收益并不是太多，但却要分出一部分给其他中继节点来补偿；当反馈的信道信息

低于真实的信道信息

时，被选中转发信号的概率降低了，造成总的期望值从真实信道值向两边递减的现象。因此，此图明确展示了这些中继节点只有反馈真实信道信息才是最佳选择。

图4展示了中继节点反馈不同的信息时应该从其他中继节点处得到的补偿量，而且中继节点得到的补偿量随着其反馈的信道信息值增加而降低。同时，图中还展示了在所有中继节点中真实信道信息较好的中继节点获得较小的甚至负的补偿量，也就是将会向其他中继节点提供补偿；而真实信道信息较差的中继节点则正好相反，它的补偿量是正值，会从其他中继节点处获得补偿。这样就可以缩小中继节点间的收益差距，提高了中继节点间的收益分配的公平性。

图5展示了在不同的中继节点的选择数目下第三个中继节点的总的收益期望值随反馈信道信息的变化情况。当中继节点选择数目K等于1时，第三个中继节点的总的收益期望值最少。而且中继节点反馈的信道信息值越大，获得总的收益期望值越小。当K为较大值时，总的收益期望值降低速度减慢(光滑斜面)随着反馈信道信息的增加。但是无论中继选择数目怎样变化，中继节点只有反馈自己真实信息时才可以获得最大的期望收益。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种促使中继节点主动反馈自己的真实信息的方法，其特征在于，包括源节点、中继节点和目的节点，所述源节点把能够正确解码并向其反馈信息的中继节点作为候选节点，并从所述候选节点中选出一定数目的中继节点作为转发节点进行信息转发，所述转发节点从所述目的节点处获得收益后，所述源节点会根据所述候选节点先前反馈的信息对候选节点间的收益进行调整。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)所述源节点发送数据信息；

(2)所述中继节点根据接收到的数据信息，并且对数据信息进行解码，看是否可以正确解码；

(3)所述候选节点向所述源节点反馈自己的信息，反馈怎样的信息主要为使其得到最大的期望收益；

(4)所述源节点根据最优的原则和所述候选节点的反馈信息来选出最优中继节点作为转发节点；

(5)所述转发节点向所述目的节点转发数据信息，根据接收到的转发来的数据信息，目的节点支付给相应转发节点报酬；

(6)所述源节点根据所述候选节点先前反馈的信息对所述候选节点收到的报酬进行调整，具体做法为：根据所述候选节点先前反馈的信息来计算出每个候选节点的补偿量，也就是该候选节点是应该得到补偿还是应该捐出自己的收益分给其他候选节点；

(7)在所述源节点调整收益后，所述候选节点得到最终的收益。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，源节点发送自己的数据信息，是通过广播的形式向周围的中继节点发射信号。

4.根据权利要求2所述方法，其特征在于：所述步骤(2)中，中继节点采用了解码转发协议；中继节点在接收到源节点广播的数据信息后，对其进行解码并判断所接收到的数据信息是否正确。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，为选出K个最优中继节点，源节点把反馈信息的N个中继节点作为候选节点，对候选节点的反馈信息进行降序排列，从中选出前K个对应的中继节点作为转发节点。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，源节点根据候选节点先前反馈的信息对候选节点的收益进行调整的方法为：源节点根据N个中继节点反馈的信道信息来调整收益，计算出每个候选节点的应该得到的补偿量：

$t_i=t_i({\hat{h}}_{1,d},\·\·\·{,\hat{h}}_{N,d})={\mathrm{\Φ}}_i\left({\hat{h}}_{i,d}\right)-\frac{1}{N-1}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_j\left({\hat{h}}_{j,d}\right),$

其中，

表示第i个候选节点利用其他候选节点信道的统计信息和自己反馈的信息计算出来的其他候选节点期望收益的总和，h_-i表示为{h_1，d…h_i-1，d，h_i+1，d…h_N}。而且这个补偿量可能为正值也可能为负值；正值表示该候选节点从其他候选节点处得到了补偿；负值则表示该候选节点对其他候选节点提供相应的补偿。

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